下载文档原格式
刀具涂层的发展现状与应用摘要：随着现代制造业的快速发展，传统刀具已经无法满足现在加工的需求。
涂层刀具的出现大大解决了这一问题，与传统刀具相比，涂层刀具具有优异的热稳定性、好的耐磨性能、高硬度和高的结合强度等优点。
本文主要介绍了刀具涂层材料的发展，涂层的制备技术并对刀具涂层的应用前景与发展进行了展望。
关键词：刀具涂层;涂层材料；制备技术；应用前景与发展0引言随着机械行业加工技术的不断发展, 加工难度较高新型材料的使用逐渐增多,高速切削加工条件的不断提高,传统的刀具已经不能满足新的要求[1]。
虽然通过一系列措施,使得刀具材料的硬度提高，抗磨损性增加，但与此同时，也降低了刀具材料的冲击韧性和抗弯强度,因此刀具的使用性能受到影响。
由于刀具涂层是改善上述问题的有效方法，即刀具基体上涂覆一层或多层高硬度、耐磨损、耐腐蚀的金属或者非金属化合物涂层（如：CrN、AlTiN 、AlCrN 、Al2O3等），这使得刀具与工件之间的摩擦因数大大降低，在不降低涂层的硬度与韧性的前提下提高了刀具的耐磨性，延长了刀具的使用寿命，提高了加工效率[2]。
1刀具涂层材料的发展近年来，刀具涂层的逐步发展，使得涂层可供选择性增加,例如二元涂层、多元涂层以、纳米复合涂层，交替涂覆的多元涂层等。
下面是一些刀具涂层材料和制备工艺的发展应用情况。
在不同的加工条件、不同加工场合选用哪种涂层有益于切削加工得到最佳效果，每一种涂层材料的特性都具有十分重要的作用。
1.1二元涂层通过等离子体辅助的物理气相沉积（PVD）技术制备的过渡金属氮化物硬质涂层可以被广泛地应用于改善工业刀具和机械零部件的性能和寿命。
其中二元涂层CrN因为具有硬度高、膜/基结合力强、耐磨损等优良特性，故被作为保护涂层广泛的应用于机械加工行业。
而高的氧化温度和在恶劣的环境条件下具有优异的耐腐蚀性能，进一步提高了CrN涂层的综合性能，与其他金属形成多组分涂层已经进行了合作[3]。
TiC是一种硬度高，耐磨的化合物二涂层,具有良好的抗摩擦耐磨损性能; TiN的硬度稍低,但化学稳定性较高,且降低了刀具与被加工工件之间的摩擦系数，与高速钢涂层结合牢固。
浅谈涂层刀具的应用现状和发展前景摘要：随着新材料的出现，切削速度的提高，对刀具的要求是高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。
涂层刀具的出现，使难加工材料以及新材料切削性能有了重大突破。
本文从涂层刀具的概念入手，通过分析涂层刀具的发展历史和在金属切削加工中涂层刀具与普通刀具的性价对比来阐述涂层刀具的应用以及目前存在的问题，预测今后的发展前景。
关键词：涂层刀具切削加工应用Abstract:With the emergence of new material, the increase of cutting speed on tool requirements, high cutting speed, high feed rate, high reliability, long life, high precision and good cutting control. Coated cutting tools appear, make hard processing materials and new materials cutting performance has been a major breakthrough. In this paper, through the analysis of coating tools, with its historical development in metal cutting processing, and general tool of price comparison on coated cutting tool application and present problems, forecast the development foreground henceforthKey Words：Coated cutting tool Cuttingp rocessing Application引言对于机械行业来说，世界上目前发展的重要项目有:高速精密切削加工，少、无冷却润滑液的切削或干切削，高硬状态下切削加工。
刀具涂层技术的现状与发展PVDCVD刀具涂层技术的现状与发展摘要：刀具涂层技术是一种受刀具市场需求而产生的一种表面改性技术，该项技术能改变切削刀具的综合机械性能，大幅度提升加工效率以及刀具寿命，刀具涂层技术成为高效率、高精度、高可靠性要求的关键机械加工技术之一。
本文着重介绍了刀具涂层技术的涂层材料的制备方法及种类，并对刀具涂层技术的应用前景及发展趋势进行了展望。
从工艺、装备、技术开发、推广应用、售后服务等方面分析我国刀具涂层技术与工业发达国家的差距；文中建议我国工具行业应针对国内刀具涂层技术现状，建立统一的研究、开发、服务体系，系统地引进国际先进技术，通过消化吸收逐步达到自我开发的能力，最终实现参与国际市场竞争的目的。
关键词：刀具;涂层技术;PVD;CVD1 引言刀具涂层技术是一种受刀具市场需求而产生的一种表面改性技术，该项技术能改变切削刀具的综合机械性能，大幅度提升加工效率以及刀具寿命，因此该项技术已与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。
为了满足机械加工的高效率、高精度、高可靠性的要求，各个国家都十分注重刀具涂层技术的发展。
当前，我国刀具涂层技术正处于一个发展的十分关键的时期，特别是PVD涂层技术，使用原有的涂层技术生产的刀具已不能满足切削加工要求；发展PVD技术，能提高我国切削刀具的水平，获得巨大的经济效益，提高我国的综合国力。
2 国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势刀具涂层技术目前分为两大类，即化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）技术。
2.1 物理气相沉积（PVD）技术的发展习惯上，把固体(液态)镀料通过高温蒸发、溅射、电子束、等离子体、激光束、电弧等能量形式产生气相原子、分子、离子(气态，等离子态)进行输运，在固态表面上沉积凝聚，生成固相薄膜的过程称为物理气相沉积(PVD)。
物理气相沉积（PVD）技术产生于上世纪七十年代末，因为它的工艺温度控制在500℃以下，，可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。
涂层刀具的涂层材料、涂层方法及进展方向在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决议性的影响。
刀具性能的两个关键指标硬度和强度（韧性）之间好像总是存在着冲突，硬度高的材料往往强度和韧性低，而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。
在较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜（如TiC、TiN、Al2O3,等）构成的涂层刀具，较好的解决了刀具存在的强度和韧性之间的冲突，是切削刀具进展的一次革命。
涂层刀具是近20年来进展最快的新型刀具。
目前工业发达国家涂层刀具已占80%以上，CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。
1涂层刀具、涂层材料及涂层方法涂层刀具的特点涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。
涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。
一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大削减刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本。
但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后，因基体材料和涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层和基体之间的界面结合强度低，涂层易剥落，而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备多而杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。
常用的涂层材料及性质常用的涂层材料常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。
依据化学键的特征，可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。
涂层材料的性质金属键型涂层材料（如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等）熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好，具有良好的综合性能，是最一般的涂层材料。
共价键型涂层材料（如B4C、SiC、BN、金刚石等）硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性和多层匹配性差。
涂层刀具材料研究现状与发展思路摘要：制造业的飞速发展对刀具材料的要求也越来越高，涂层技术实现了涂层材料的特殊优异性能，使刀具的使用寿命和切削性能等都得到了极大的提高。
因此，涂层技术的应用领域正在日益扩大，在制造业中必将显示更加重要的地位。
本文介绍了刀具涂层材料的研究现状，对其制备工艺及分类两方面进行了综述，并探讨了涂层刀具材料的发展趋势。
关键词：纳米涂层；物理气相沉积；化学气相沉积；超硬刀具引言19世纪70年代，用于研究的简单涂层设备开始出现；到20世纪70年代商品化的涂层设备供应于世；20世纪80年代涂层技术进入工业化大生产；21世纪初，涂层技术成为世人瞩目的新技术。
涂层技术是应市场需求发展起来的一种表面处理技术。
近10年来，涂层技术在刀具行业的应用得到了快速普及，涂层刀具已成为切削加工不可或缺的主流刀具。
与此同时，随着切削技术向高速、高效、强力、干式的方向发展，刀具涂层技术成为了左右切削技术发展的主要因素。
由于这项技术可使工、模具表面获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率及延长工、模具使用寿命，因此它已成为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性要求的关键技术之一，而且其应用领域正在迅速扩展。
涂层发展正面临前所未有的机遇。
因此，对于刀具涂层及其性能的研究，并开发满足不同加工条件的高性能刀具涂层，对促进制造业发展具有重要意义。
1.涂层刀具材料的制备及发展现状涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。
涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益[1] 。
涂层技术的发展已从当初单一的TiC、TiN涂层发展为TiC-Al2O3-TiN复合涂层和TiCN、TiAlN等多元复合涂层，涂层的性能有了很大的改善，使用范围不断扩大，涂层刀具的基体材料范围也在扩大，高速钢、硬质合金、陶瓷刀具都可以进行涂层。
新的涂层工艺不断出现，如生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积（PVD）法如图1和化学气相沉积（CVD）法如图4。
收稿日期:1999年7月刀具涂层技术的现状与展望成都工具研究所(610056) 陈维喜摘 要:综述了国内外切削刀具涂层技术的现状,展望了涂层技术的发展前景,分析了C VD和PVD工艺各自具备的优点和不足。
指出,开发新的涂层材料和C VD、PVD两种工艺相互补充,可获得较理想的涂层效果。
关键词:刀具涂层技术,C VD,PVD,结合强度,综合性能Developing Status and Vie ws for Cutting Tool Coating T echnologyChen WeixiAbstract:The developing status of cutting tool coating technology in home and abroad is summarized.And the features of C VD and PVD coating technology are analyzed.I t is pointed out that the g ood coating result can be obtained by developing new coating materials and combining C VD and PVD technology.K eyw ords:cutting tool coating technology,C VD,PVD,adhesion strength,synthetic property 自六十年代末第一代T iC化学技术气相沉积(C VD)涂层硬质合金刀片问世以来,涂层技术对硬质合金刀具的发展起到了巨大的促进作用。
八十年代初,T iN物理气相沉积(PVD)涂层高速钢刀具的出现,被誉为高速钢刀具性能的革命性变革。
几十年来,涂层技术已经在切削刀具提高性能的工艺中得到极为广泛的应用。
本文拟从以下三个方面介绍涂层技术的进步并展望2000年以后的发展动向:(1)刀具涂层技术的应用;(2)涂层技术的新发展;(3) C VD与PVD两种技术在刀具涂层中的相互补充。
1 刀具涂层技术的应用目前,机械加工企业大都已经或正在认识到刀具采用涂层技术是提高切削效率、降低加工成本的有效途径。
随着涂层技术装备的改进,涂层费用已比初期下降1/2～2/3,因此,涂层技术的应用将使刀具品种不断增多,涂层刀具在刀具总量中所占的比例也将不断扩大。
从涂层刀具(涂层硬质合金和涂层高速钢刀具)在全部使用刀具中所占比例来看,工厂规模不同,该项比例的大小也不同。
国外规模较大、管理较好的工厂,每月所耗刀具涂层费用大于5万美元,涂层刀具占其全部使用(或销售)刀具的85%;规模较小的工厂每月所耗刀具涂层费用则在5万美元以下,涂层刀具占其全部刀具的55%。
目前,我国只有几个大型硬质合金厂有C VD涂层设备,而且涂层刀片所占比例不大。
在PVD涂层高速钢刀具方面,国内主要用于套装麻花钻及齿轮刀具的涂层处理,估计涂层套装麻花钻已占全磨制麻花钻总量的50%左右。
以江苏丹阳飞达、天工两个大型工具集团为例,每年麻花钻涂层费用均超过500万元人民币,约有20台PVD设备供麻花钻涂层使用。
国内主要齿轮刀具厂均拥有PVD设备,为本厂产品涂层服务,加上齿轮制造厂自身在邻近涂层厂涂层的刀具,齿轮刀具中涂层刀具的比例已大于60%。
近年来,齿轮刀具刃磨后进行重涂以提高切削效率的概念已逐渐被齿轮加工业认可,因此,今后齿轮刀具的涂层量必将进一步增加。
随着涂层技术的推广应用,在工业集中地区建立涂层中心(或涂层工厂)的工作已得到很大发展,在工业发达国家已有上百个涂层中心在运转,每个涂层中心均拥有数台PVD及C VD设备。
如Balzers、Multi2Arc这两家著名的刀具涂层设备制造公司(生产PVD设备)在世界各地建立了很多涂层中心,两家公司在涂层中心的收入比他们销售涂层设备的收入更丰厚。
目前,国内虽已有不少涂层工厂,如仅江苏丹阳地区就有6家涂层工厂,但技术水平和规模均达不到涂层高品质刀具的要求。
因此,当务之急是在国内建立具有开发能力和高技术水平的涂层中心,其涂层业务也应从刀具扩展至模具、机械零件及高档饰品。
2 涂层技术的新发展纵观C VD、PVD技术的发展过程,可以发现几个共性规律。
当第一代C VD T iC涂层硬质合金刀片及PVD T iN涂层刀具进入市场后,首先要解决的问题是设计制造出稳定可靠的批量涂层刀具的技术装备,并逐步加以完善,以满足市场需求;其次是开发新一代涂层成分,进一步提高涂层刀具的切削效率;第三阶段是研制多层涂层及控制技术,使刀具表层具有多种涂层材料的综合物理机械性能,从而满足加工不同金属的需求。
人们开始研究新的涂层时,均把目光投向过渡族元素碳、氮化物,因为它们均具有较高的硬度,表1所列为耐磨化合物的部分物理机械性能。
采用C VD、PVD技术制备这些涂层并不困难,关键是涂层质量能否发挥出其自身应有的性能及在切削过程中所起的抗磨损作用。
表1 几种材料的物理机械性能材料熔点(℃)密度(g/cm3)硬度(Hv)弹性模量(kN/mm2)线胀系数(10-6/K)抗高温氧化性能T iC306741932800470810一般T iN295051402100590914一般T iB2322541503000560718一般Z rN298271321600510712较好CrN165061121100400一般Al2O3204731982100400814很好硬质合金1400～1800415～6差高速钢150071890012很差 刀具磨损机理研究表明,在高速切削时,刃尖温度最高可达900℃,此时刀具的磨损不仅是机械摩擦磨损(刀具后面磨损的主要形式),还有粘结磨损、扩散磨损及氧化磨损(刀具刃口磨损及月牙洼磨损的主要形式),因此,可将切削过程视为一个微区的物理化学变化过程。
碳化钛是一种高硬度耐磨化合物,有着良好的抗摩擦磨损性能;氮化钛的硬度稍低,但却有较高的化学稳定性,并可大大减少刀具与被加工工件之间的摩擦系数。
从涂层工艺性考虑,两者均为理想的涂层材料,但无论碳化钛或氮化钛,单一的涂层均很难满足高速切削对刀具涂层的综合要求。
碳氮化钛(T iC N)是在单一的T iC晶格中,氮原子(N)占据原来碳原子(C)在点阵中的位置而形成的复合化合物,T iC x N y中碳氮原子的比例有两种比较理想的模式,即T iC015N015和T iC013N017。
由于T iC N 具有T iC和T iN的综合性能,其硬度(特别是高温硬度)高于T iC和T iN,因此是一种较理想的刀具涂层材料。
在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上,没有任何材料能与氧化铝(Al2O3)相比。
但由于氧化铝与基体材料的物理、化学性能相差太大,单一的氧化铝涂层无法制成理想的涂层刀具。
多层涂层及相关技术的出现,使涂层既可提高与基体材料的结合强度,同时又能具有多种材料的综合性能。
到目前为止,硬质合金刀片的C VD涂层大致可分为四大系列:T iC/T iN、T iC/T iC N/T iN、T iC/Al2O3和T iC/Al2O3/T iN。
前两类适用于普通半精及精切加工,后两类适用于高速及重负荷切削。
涂层成分能否在涂层刀具上发挥其应有性能,在很大程度上取决于涂层工艺的技术水平,因为涂层与基体的结合强度、涂层及界面组织结构、择优取向、各单层厚度及总厚度等是决定涂层刀具性能的重要因素,而这些因素都与涂层工艺直接相关。
各厂家所制备的相同涂层系列的刀具,除了刀片材料、几何参数外,在切削性能上的差异主要是由于所采用的涂层工艺及控制技术不同而造成的。
因此,在改进C VD工艺及控制技术方面,还有不少问题尚待解决。
上述选择涂层材料的原则同样适用于PVD涂层,由于Al2O3(α相)涂层的PVD技术还未完全突破,因此含有Al2O3的涂层系列尚无法用PVD工艺进行大批量涂层,而另外两种复合涂层系列近年来已在PVD涂层中得到应用。
从技术上讲,制备由上百层(每层厚度为50～1000nm)组成的多层涂层,在PVD工艺中容易实现。
单层厚度为20～50nm时,这种涂层的耐磨性最佳。
目前,T iN/T iC N、T iC/T iC N/ T iN、T iN/Z rN等多层涂层通过PVD工艺已在硬质合金刀具和部分高速钢刀具涂层中加以应用,使用寿命比单一的T iN PVD涂层提高一倍以上。
其中,Z rN 涂层刀具特别适合加工不锈钢等材料。
T iAlN是唯一含有铝的PVD涂层,在切削过程中铝氧化而形成Al2O3,从而起到抗氧化和抗扩散磨损作用,但其抗氧化性能比单一的Al2O3涂层稍差,因为T iAlN中形成的Al2O3在切削过程中边生成边磨掉。
但在高速切削时,其效果优于不含铝的T iC N 涂层。
图1、2所示为C VD及PVD涂层刀具中各种涂层成分所占的大致比例。
T iAlN/Al2O3多层PVD涂层已在实验室中研究成功,目前已可制备有400层(总厚度5μm)的多层涂层硬质合金刀具,这种刀具的涂层硬度达4000Hv,其切削性能优于T iC/Al2O3/T iN涂层刀具。
可以预期,进一步研究PVD工艺技术,扩大多种多 图1 CV D涂层中各种成分所占比例 图2 PV D涂层中各种成分所占比例层涂层在不同刀具上的应用,必将取得更大的技术经济效益。
其它硬质材料如T iB2、H f N、T iNB等均可作为涂层物质,但由于其物理机械性能与前述涂层系列相比无明显优势,因此在实际生产中应用很少。
此外,CrN PVD涂层由于其韧性和耐磨性比较突出,特别适合用于各类模具的涂层处理。
金刚石涂层是近几年研究成功的新型刀具涂层材料,这种涂层刀具特别适用于加工非黑色金属及纤维材料。
金刚石涂层的硬质合金刀片及整体硬质合金多刃刀具在加工印刷线路板和硅铝合金等方面已取得很大成功,工具寿命比未涂层硬质合金刀具提高数十倍。
制备金刚石涂层的技术有C VD、PVD 及PC VD多种,无论何种技术,只要能在刀具各几何面上均匀涂镀金刚石薄膜,有足够的结合强度,工艺控制稳定性能满足批量生产要求,就可在金刚石涂层刀具的工业化应用中取得良好的效益。
那种把C VD制备的金刚石厚膜片焊接在硬质合金刀片刃部的方法,取代不了金刚石涂层技术在刀具中应用的地位。
目前,金刚石涂层硬质合金立铣刀已有Φ2～12mm共94种规格,金刚石涂层硬质合金麻花钻已有100余种尺寸,金刚石涂层可转位刀片已有180余种规格,此外还有各种涂层的成型刀具。
总之,今后金刚石涂层硬质合金刀具的品种规格及应用范围均将进一步扩大。
3 CV D、PV D技术在刀具涂层中的相互补充 自八十年代初T iN PVD涂层高速钢刀具投入工业应用以来,人们一直在探索能否用PVD代替C VD 工艺对硬质合金刀片进行涂层。
